CC BY
6
Проектирование и конструкция судов
Научная статья УДК 629.5.01
http://doi.org/10.24866/2227-6858/2022-2/17-26 А.В. Парняков, О.Э. Суров
ПАРНЯКОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ - аспирант, avpamyakov@mail.ruн СУРОВ ОЛЕГ ЭДУАРДОВИЧ - к.т.н., доцент, http://orcid.org/0000-0002-8914-5059 Политехнический институт Дальневосточный федеральный университет Владивосток, Россия
Разработка и верификация математической модели проектирования круизного судна ледового плавания
Аннотация. Представлены результаты разработки математической модели для определения экономических показателей круизного судна ледового плавания. В качестве оптимизированных характеристик в математической модели приняты удельные приведенные затраты, рентабельность капиталовложений, норма прибыли, срок окупаемости. В качестве параметров оптимизации использованы численность пассажиров и протяженность линий. В разработанной модели предусмотрена возможность изменения стоимости билета от уровня комфорта пребывания на судне пассажиров. В результате выполнения расчетов по предложенной математической модели определены оптимальные главные размере-ния и характеристики судна (составляющие водоизмещения, мощность, скорость и др.). Установлено, что разработанная математическая модель для оптимизации главных размерений круизного судна с точки зрения функций экономических критериев пригодна для дальнейшего исследования других оптимизационных параметров (полезная площадь кают и общественных помещений; количество палуб и ярусов надстройки).
Ключевые слова: главные размерения судна, экономические показатели, срок окупаемости, норма прибыли, рентабельность капиталовложений, удельные приведенные затраты, протяженность круизной линии, круизное судно ледового плавания
Для цитирования: Парняков А.В., Суров О.Э. Разработка и верификация математической модели проектирования круизного судна ледового плавания // Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2022. № 2(51). С. 17-26.
Введение
Во второй половине ХХ в. наблюдается переход ряда пассажирских судов линейного плавания, а также научно-исследовательских (экспедиционных) судов на круизные линии. Это привело не только к переоборудованию данных судов, но и постройке новых специализированных круизных судов, в том числе арктического плавания. Особые требования к арктическим судам накладывают ограничения на функциональные характеристики, в связи с чем возникла необходимость комплексного исследования круизных судов плавания в замерзающих морях, совершенствования их архитектурно-конструктивных типов, расширения круга предоставляемых пассажирам услуг.
За последнее десятилетие рынок пассажирских судов значительно расширился, так как количество и популярность туристических и экспедиционных круизов возросли. Судовладельцы и верфи должны сбалансировать строительство и эксплуатацию более крупных и сложных судов с безопасностью и экологическими характеристиками, а также учитывать комфорт и снижение энергопотребления. Кроме того, популярность экспедиционных судов для
© Парняков А.В., Суров О.Э., 2022
Статья: поступила: 18.04.2022; рецензия: 04.05.2022.
полярных круизов привела к созданию специализированных и технически совершенных судов, способных работать в арктических водах.
Цель данного исследования - разработка и верификация математической модели расчета экономических показателей круизного судна ледового плавания. Основными задачами, решаемыми посредством такой модели, является установление зависимости круизных судов по удельным приведенным затратам, срокам окупаемости, капиталоемкости перевозок и рентабельности капиталовложений относительно пассажировместимости и протяженности рейса.
Для разработки и верификации математической модели проектирования круизного судна ледового плавания используются суда-прототипы.
Описание судов-прототипов
В Дальневосточном бассейне накоплен определенный опыт эксплуатации судов [4] в круизных плаваниях, в том числе и арктических. С момента постройки в 1981 г. по ноябрь 2016 г. ледокол «Капитан Хлебников» (рис. 1) находился в составе флота Дальневосточного морского пароходства и участвовал во многих экскурсионных турах в Арктику и Антарктиду [3]. Главные размерения ледокола представлены в табл. 1. На судне все каюты наружные, с большими иллюминаторами, установлен один небольшой закрытый купальный бассейн с подогревом воды, четыре зодиака (резиновые надувные лодки), один вертолёт, который может быть использован для осмотра природных достопримечательностей. Количество мест в столовой допускает одновременное обслуживание 112 пассажиров. Большое общественное помещение, которое имеется на судне, может быть использовано в качестве аудитории для лекций по экспедиционной тематике, магазин и библиотека книг и видеофильмов, лазарет, гимнастический зал и сауна (рис. 2).
Рис. 1. Внешний вид ледокола Рис. 2. Планы палуб ледокола
«Капитан Хлебников» «Капитан Хлебников»
Другим прототипом для разработки математической модели проектирования круизного судна ледового плавания стала мега-яхта «L'Austral», которая была построена в Италии в 2011 г. (рис. 3, табл. 1). Яхта имеет ледовый класс 1С и поэтому может совершать круизы в замерзающих морях с толщиной льда до 0,40 м. На борту размещены два ресторана (ресторан высокой кухни и гриль-ресторан), театр, зона отдыха, две большие гостиные, три комнаты отдыха, магазин, салон красоты (рис. 4) [5]. Однотипные суда - «Le Boreal» и «Le Soleal».
В качестве третьего прототипа был принят теплоход «Профессор Хромов», построенный в 1983 г. в Финляндии по заказу Академии наук СССР (рис. 5). Судно «Профессор Хромов» -полностью ледовое экспедиционное судно, предназначенное для полярных и океанографических исследований, а также идеально подходящее для экспедиционных путешествий.
Чтобы обеспечить комфорт пассажирам, в мае 2019 г. теплоход был отремонтирован: появилась возможность размещения в двухместных каютах, в половине из которых предусмотрены отдельные удобства; во всех каютах иллюминаторы и места для хранения вещей; обновлены бар, библиотека и зал для лекций (рис. 6) [6].
Рис. 3. Внешний вид Рис. 4. Планы палуб
мега-яхты «L'Austral» мега-яхты «L'Austral»
Рис. 5. Внешний вид Рис. 6. Планы палуб
т/х «Профессор Хромов» т/х «Профессор Хромов»
В зависимости от типа судна, условий его строительства и эксплуатации главные раз-мерения судов ледового плавания могут принимать различные значения [2], что находит отражение в выборе рациональных размеров и их соотношений [1]. Сводные данные по судам -прототипам представлены в табл. 1.
Таблица 1
Основные характеристики судов-прототипов ледового плавания
Характеристика судна «Капитан Хлебников»* «L'Austral»** «Профессор Хромов»*
Флаг Россия Франция Россия
Год постройки 1981 2011 1984
Страна постройки Финляндия Италия Финляндия
Окончание табл. 1
Характеристика судна «Капитан Хлебников»* «L'Austral»** «Профессор Хромов»*
Класс судна KM®LL3 [2] AUT2 passenger ship I S Hull S Mac h passenger ship Ice class IC KM®UL [1] AUT2 passenger ship
Главные размерения, м Наибольшая длина Lmax 129,10 142,10 71,06
Ширина судна B 26,74 18,00 12,82
Высота борта H 12,30 20,40 6,45
Осадка T 8,50 4,80 4,50
Пассажировместимость, чел. 112 264 58
Водоизмещение, т 14917 16853,0 2140
Дедвейт, т 4418 1400 620
Валовая вместимость, рег. т 12288 10944 1759
Количество и мощность силовой установки, л.с. 6х4100 2x2300 2x1560
Скорость хода, уз. 18,0 16,0 14,0
Количество палуб 6 6 2
* - данные приняты, как в Регистровой книге Российского морского судоходства (https://lk.rs-class.-org/regbook/regbookVessel) ** - данные приняты, как в Регистровой книге Bureau Veritas (https://marine-offshore.bureauveritas.com/bv-fleet/#/bv-fleet/)
Анализ методов расчета
По результатам исследования разработана математическая модель, которая позволяет определить экономические показатели круизного судна ледового плавания. В качестве оптимизированных характеристик были приняты:
- удельные приведенные затраты;
- рентабельность капиталовложений;
- норма прибыли;
- срок окупаемости.
В качестве параметров оптимизации используются численность пассажиров и протяженность линий. В модели предусмотрена возможность изменения стоимости билета и комфортности пребывания на судне пассажиров.
На примере мега-яхты «L'Austral» показаны проектные данные судна-прототипа (табл. 2). Для выполнения экономических расчетов приведены дополнительные исходные данные (табл. 3).
Таблица 2
Проектные данные судна-прототипа
Параметр Обознач. Значение
Масса корпуса, т Рк 7493,0
Масса устройств, т Рус 1187,0
Масса систем,т РСС 860,0
Масса ГД и механизмов, т РМШ 860,0
Масса электрооборудования,т Рэп 681,0
Масса навигационного вооружения, т Рва 39,0
Масса снабжения, т Рсн 49,0
Запас водоизмещения, т Рзв 250,0
Масса постоянных жидких грузов, т Рпжгр 434,0
Водоизмещение судна порожнем, т Do 11853,0
Масса пассажиров, т Рпс 35,0
Дедвейт судна, т DW 5000,0
Мощность главного двигателя, кВт Ыгд 3385,6
Таблица 3
Дополнительные данные для расчета экономических показателей судна
Параметры Обознач. Значение
Коэффициент использования скорости К 0,95
Коэффициент использования пассажировместимости в прямом переходе Кпас1 1,0
Коэффициент использования пассажировместимости в обратном переходе Кпас2 1,0
Продолжительность годового навигационного периода, сут. Тнав 340
Время оформления, прихода и отхода, сут. Твсп 3,0
Норма грузообработки в порту отправления, т/сут. Мгр1 30,0
Норма грузообработки в порту прибытия, т/сут. Мгр2 30,0
Коэффициент перехода от стоимости серийно освоенного судна к среднесерийной строительной стоимости Р 1,45
Годовая перевозка пассажиров, чел./год N 10000
Текущий курс доллара, руб./$ К$ 75,00
Цена 1 тонны газа топлива, $/т Сдт 600,0
Билет (затраты на перевозку 1 пассажира) на 1 милю, $/мил У'ст 2,00
Нормативный коэффициент капитальных затрат Е 0,12
Потребление электроэнергии на 1 чел./сут., кВт ю 0,50
На первом этапе расчетов согласно предлагаемой модели необходимо определить характеристики и элементы рейса по формулам:
ходовое время 1х = 2Ь/(24К*ю);
время погрузки и = Ргр(Кгр1+Кгр2)/МгрГ;
время разгрузки гр = Ргр(Кгр1+Кгр2)/Мгр2;
время стоянки ^ = и+гр+гвсщ
время рейса гр = гх+Ъ;
число рейсов т = р;
нормированное время 1с/1х, число судов на линии Пс = Q/(Kгрl +Кгр2)Ргр т; ходовое время за год Тхг = 1х*т,
стояночное время за год Tcг = и* т.
Проверка правильности выполненных расчетов производится по формуле
Q = Ргр *(Kгр1 +Кгр2)*Пс * Т.
На втором этапе выполняются расчеты оптимальных главных размерений и характеристик и элементов судна (составляющие водоизмещения, мощность, скорость и др.) с использованием рекомендации [1, 2].
Далее согласно методическим указаниям по экономическому обоснованию проектирования судов (паромов) [5] выполняются расчеты капитальных затрат. Стоимость проектирования:
Кпр = (0,04D+600)i.
Стоимость оснастки:
Кос = 0,17*Di,
где D - весовое водоизмещение,
i - индекс роста потребительских цен. Стоимость серийно освоенного судна:
Кс=Кмк+Кок+Кэу+Кмо+Кр,
где стоимость корпуса:
Кмк = Рмк/1000(0,8003-0,023РмкЛ000+0,0003(РмкЛ000)2>-;
стоимость оборудования корпуса:
Кок=(0,723+4,679Рус/1000+0,066(Рус/1000)2)/;
стоимость ЭУ:
КЭу=#Эу/106(104,5 - 1,03 Ыэу/1000)1; стоимость механического оборудования с трубопроводами:
Кмо=Рмо/1000(2,35+0,05*1000/ РМо)1;
стоимость работ:
Кр=(1,037 - 0,907*1000/0«)/; среднесерийная строительная стоимость судна:
К=рКс +( Кпр+Кос)/Пс ,
Пс - число судов на линии.
В таблице 3 также представлены результаты расчетов удельных приведенных затрат по формуле
/уд=(К*Е+Ссуд)/Ш),
где К - капитальные затраты, Ссуд - судовые затраты,
Qc - годовая масса пассажиров (с провизией, снабжением, водой),
Ь - длительность рейса,
Е - коэффициент дисконтирования.
Расчет по срокам окупаемости производился по формуле
Ток=К/Пр,
где Ток - срок окупаемости, Пр - прибыль.
Капиталоемкость перевозок рассчитывалась по формуле
Км=К/(ды
Норма прибыли выполнялась по формуле
/н=Пр/Ссуд,
Рентабельность капиталовложений была рассчитана по формуле
/рент=Пр/К.
В таблице 4 представлены результаты тестовых расчетов экономических показателей проектируемого пассажирского судна ледового плавания с использованием разработанной математической модели.
Критерии оценки экономической эффективности
В результате выполнения расчетов по предложенной математической модели определяются оптимальные главные размерения и характеристики судна (составляющие водоизмещения, мощность, скорость и т. д).
На рисунках 7-9 представлены графики зависимостей экономических показателей целевых функций от количества пассажиров и протяженности линий.
Первые три графика характеризуют зависимость пассажировместимости и протяженности линии от удельных приведенных затрат, срока окупаемости и капиталоемкости перевозок по минимизируемым критериям.
На последнем графике показана зависимость пассажировместимости и протяженности линии от рентабельности капиталовложений по максимизируемым критериям.
Таблица 4
Результаты расчетов экономических показателей проектируемого судна с использованием предлагаемой модели
Количество пассажиров, чел.
Наименование Обозначения 200 220 250
(формулы) Протяженность линии, мили
750 1000 1250 750 1000 1250 750 1000 1250
Капитальные затраты
Стоимость проектирования, млн. $ Кпр 1,013 1,087 1,154 1,037 1,103 1,172 1,057 1,126 1,198
Стоимость оснастки, млн. $ Кос 1,549 1,866 2,152 1,652 1,932 2,227 1,738 2,030 2,338
Стоимость корпуса, млн. $ Кмк 3,167 3,722 4,200 3,350 3,834 4,320 3,501 3,999 4,497
Стоимость оборудования корпуса, млн. $ Кок 4,644 6,565 8,553 5,235 7,004 9,109 5,753 7,680 9,965
Стоимость ЭУ, млн. $ Кэу 0,629 0,710 0,785 0,656 0,727 0,804 0,678 0,752 0,833
Стоимость механического оборудования с Кмо 2,623 2,978 3,286 2,740 3,050 3,365 2,836 3,157 3,481
Стоимость работ, млн. $ Кр 1,651 1,681 1,663 1,666 1,680 1,652 1,675 1,676 1,630
Строительная стоимость серийно осво- Кс 12,714 15,656 18,487 13,647 16,296 19,250 14,444 17,264 20,406
Средне серийная строительная стоимость К 20,998 25,655 30,113 22,477 26,664 31,312 23,738 28,189 33,124
Судовые эксплуатационные затраты
Отчисления на амортизацию, млн. $ Сам=0,01*К*Нам 1,281 1,565 1,837 1,371 1,626 1,910 1,448 1,720 2,021
Расходы на текущий ремонт, млн. $ Ср=(-67+33,45*(М1000)- 0,751 0,894 1,006 0,786 0,913 1,023 0,813 0,939 1,047
Расходы на снабжение, млн. $ ССи=0,01*К" 0,210 0,257 0,301 0,225 0,267 0,313 0,237 0,282 0,331
Расходы на содержание экипажа, млн. $ Сэк 3,200 3,200 3,200 3,520 3,520 3,520 4,000 4,000 4,000
Суточные навигационные расходы, $/сут. СНав.р(ВЩ 9,717 9,810 9,894 9,747 9,829 9,916 9,772 9,858 9,950
Навигационные расходы, млн. $ С =7 8*С *365 Снае 7 ,8 Снав.р 365 0,0277 0,0279 0,0282 0,0277 0,0280 0,0282 0,0278 0,0281 0,0283
Налог на имущество, млн. $ Сим 0,0 *Сам 0,3458 0,4225 0,4960 0,3702 0,4392 0,5157 0,3910 0,4643 0,5456
Портовые сборы за 1 судозаход, тыс. $ ССб=ШС1 4,475 5,389 6,216 4,772 5,580 6,431 5,020 5,865 6,752
Портовые сборы за год, тыс. $ Ссб.г 2 ТСсб 340,1 355,7 360,5 362,7 368,3 373,0 381,5 387,1 391,6
Затраты на топливо на стоянке, тыс. $ Ст. ст кксмктвмО^т. стСДТТст 330,37 286,90 252,13 330,37 286,90 252,13 330,37 286,90 252,13
Затраты на топливо на ходу, тыс. $ Ст.х кксмктвмЦ т^гДСДТТх 2400,0 3145,6 3800,2 2505,0 3219,5 3887,4 2591,1 3327,9 4015,6
Затраты на топливо, тыс. $ Ст Ст. ст + Ст. х 2730,4 3432,5 4052,3 2835,3 3506,4 4139,6 2921,4 3614,8 4267,8
Прямые затраты, млн. $ Спр Сш+Ср+Ссн+Сзк+Снав+Сим+Сс5г+Ст 8,886 10,154 11,281 9,178 10,347 11,503 9,420 10,634 11,832
Косвенные затраты, млн. $ Скосв аСпр 0,489 0,558 0,620 0,505 0,569 0,633 0,518 0,585 0,651
Судовые затраты, млн. $ Ссуд Спр + Скосв 9,375 10,713 11,901 9,682 10,917 12,135 9,939 11,219 12,483
Окончание табл. 4
Наименование Обозначения (формулы) Количество пассажиров, чел.
200 220 250
Протяженность линии, мили
750 1000 1250 750 1000 1250 750 1000 1250
Экономические показатели использования судна
Объем перевозок 1 судна за год, т/год Qс (Кгр1 +Кгр2)РгрТ 15200 13200 11600 16720 14520 12760 19000 16500 14500
Капиталоемкость перевозок, $/т*миль Кем=К/^Ь) 1,8419 1,9435 2,0768 1,7924 1,8364 1,9631 1,6658 1,7084 1,8275
Себестоимость перевозок 1 т, $/т S=Cсуд/Qc 616,75 811,58 1025,98 579,08 751,83 951,04 523,08 679,96 860,91
Себестоимость перевозок, $/т*миль 3=Ссуд/^Ь) 0,8223 0,8116 0,8208 0,7721 0,7518 0,7608 0,6974 0,6800 0,6887
Доход по одному судну, тыс.$ До ^с/ст 11400 13200 14500 12540 14520 15950 14250 16500 18125
Уровень доходности перевозок Я=Дс/Ссуд100% 121,6 123,2 121,8 129,5 133,0 131,4 143,4 147,1 145,2
Балансовая прибыль, тыс.$ Пбал =Дс~Ссуд 2025,4 2487,2 2598,6 2857,7 3603,4 3814,7 4311,4 5280,6 5641,9
Налоги, тыс.$ Нал=0,45Пбал 911,4 1119,2 1169,4 1286,0 1621,5 1716,6 1940,1 2376,3 2538,8
Чистая прибыль, тыс.$ Пр=Пбал-Нал 1114,0 1367,9 1429,2 1571,7 1981,9 2098,1 2371,3 2904,4 3103,0
Экономические критерии обоснования проектных ха зактеристик судов
Удельные приведенные затраты, $/т*миль /уд 1,043 1,045 1,070 0,987 0,972 0,996 0,897 0,885 0,908
Рентабельность капиталовложений, % fрент 5,31 5,33 4,75 6,99 7,43 6,70 9,99 10,30 9,37
Норма прибыли 0,119 0,128 0,120 0,162 0,182 0,173 0,239 0,259 0,249
Срок окупаемости, лет Ток 18,85 18,75 21,07 14,30 13,45 14,92 10,01 9,71 10,67
(уд. $1'миль Удельные приведенные затраты Тк.ш срок
а) б)
Рис. 7. График зависимости удельных приведенных затрат (а) и срока окупаемости (б) от пассажировместимости и протяженности линии
Рис. 8. График зависимости нормы прибыли перевозок от пассажировместимости и протяженности линии
Рис. 9. График зависимости рентабельности капиталовложений от пассажировместимости и протяженности линии
Заключение
В результате данного исследования разработана математическая модель для определения экономических показателей круизного судна ледового плавания.
По результатам выполненных расчетов сформулированы основные выводы.
Удельные приведенные затраты относительно протяженности рейса у рассмотренных круизных судов снижаются.
1. Сокращается срок окупаемости для круизных судов с большей пассажировмести-мостью.
2. Норма прибыли перевозок повышается для круизных судов с большей пассажи-ровместимостью.
3. Рентабельность капиталовложений максимальна для круизных судов с большей пас-сажировместимостью.
Выводы позволяют судить о том, что разработанная математическая модель для оптимизации главных размерений с точки зрения функций экономических критериев пригодна для дальнейшего исследования других оптимизационных параметров (полезная площадь кают и общественных помещений; количество палуб и ярусов надстройки).
Заявленный вклад авторов: все авторы сделали эквивалентный вклад в подготовку публикации. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
СПИСОК ИСТОЧНИКОВ
1. Ашик В.В. Проектирование судов. Ленинград: Судостроение, 1985. 317 с.
2. Бронников А.В. Проектирование судов. Ленинград: Судостроение, 1991. 319 с.
3. «Капитан Хлебников». URL: https://www.discovercruise.ru/ship/kapitan_hlebnikov/?more=1 (дата обращения: 08.02.2022).
4. Кулеш В.А., Лентарёв А.А., Шарлай Г.Н., Мотрич В.Н., Монинец С.Ю. Эксплуатация судов в полярных водах. Москва: Моркнига, 2018. 277 с.
5. Лайнер L'Austral. URL: https://www.discovercruise.ru/ship/?id=365 (дата обращения: 08.02.2022).
6. Теплоход «Профессор Хромов». URL: https://www.korabli.eu/galleries/oboi/grazhdanskie-suda/professor-hromov/palubnyy-plan (дата обращения: 08.02.2022).
FEFU: SCHOOL of ENGINEERING BULLETIN. 2022. N 2/51 Ship Design and Construction www.dvfu.ru/en/vestnikis
Original article
http://doi.org/10.24866/2227-6858/2022-2/17-26
Parnyakov A., Surov O.
ALEKSEY V. PARNYAKOV, Postgraduate Student, avparnyakov@mail.ruH
OLEG E. SUROV, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, surov-oe@rambler.ru
Far Eastern Federal University
Vladivostok, Russia
Development and verification of a mathematical model to design an ice-going cruise ship
Abstract. The results of the development of a mathematical model for determining the economic performance of an ice-going cruise ship are presented. Specific reduced costs, return on investment, rate of return, payback period are taken as optimized characteristics in the mathematical model. The number of passengers and the length of lines were used as optimization parameters. The developed model makes it possible to change the ticket price depending on the level of comfort of passengers on board. As a result of calculations based on the proposed mathematical model, the optimal main ship dimensions and characteristics (components of displacement, power, speed, etc.) were determined. It has been established that the developed mathematical model for optimizing the main dimensions of a cruise ship in terms of the functions of economic criteria is suitable for further research of other optimization parameters (such as useful area in cabins and public spaces; the number of decks and superstructure tiers, etc.)
Keywords: main dimensions of the ship, economic indicators, payback period, rate of return, return on investment, specific reduced costs, length of the cruise line, ice-going cruise ship
For citation: Parnyakov A., Surov O. Development and verification of a mathematical model to design an ice-going cruise ship. FEFU: School of Engineering Bulletin. 2022;(2):17-26. (In Russ.).
Contribution of the authors: the authors contributed equally to this article. The authors declare no conflict of interest.
REFERENCES
1. Ashik V.V. Ship design. Leningrad, Shipbuilding, 1985. 317 p.
2. Bronnikov A.V. Ship design. Leningrad, Shipbuilding, 1991. 319 p.
3. Captain Khlebnikov. URL: https://www.discovercruise.ru/ship/kapitan_hlebnikov/?more=1. 08.02.2022.
4. Kulesh V.A., Lentaryov A.A., Sharlay G.N., Motrich V.N., Moninets S.Yu. Operation of ships in polar waters. Moscow, MORKNIGA, 2018. 277 p.
5. Liner L'Austral. URL: https://www.discovercruise.ru/ship/?id=365 - 08.02.2022.
6. Motor ship "Professor Khromov" URL: https://www.korabli.eu/galleries/oboi/grazhdanskie-suda/professor-hromov/palubnyy-plan - 02.08.2022.
